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锂硫电池拥有超高的理论能量密度(2500 Wh kg-1),且正极硫具有储量丰富、成本低和环境友好等优点。基于这些优势,锂硫电池成为非常有前景的下一代高比能储能系统。然而锂硫电池主要采用复杂的固-液-固多相转化机制,伴随着一系列严重的问题阻碍其实际应用:包括电化学反应缓慢、循环过程中正极体积变化严重以及中间产物多硫化锂溶于电解液并在正负极之间往返迁移形成“穿梭效应”。这些问题造成锂硫电池中含硫物种的不完全转化、容量的快速衰减和低的能量转换效率。特别是在高硫面负载量和低电解液使用量等面向实际应用的条件下,这些问题更加严重。目前研究者主要采用导电和极性材料作为含硫物种载体以提高锂硫电池的反应速率以及抑制多硫化物的穿梭,从而提高锂硫电池的电化学性能。本论文以具有诸多优异特性的石墨烯为基础,设计和构筑石墨烯改性锂硫电池正极。通过硫原子掺杂增强石墨烯对多硫化物的锚定能力和提供高催化活性位点;利用石墨烯构筑具有多硫化物拦截层的多功能分层级正极,以解决锂硫全电池中高浓度多硫化物严重穿梭和缓慢转化的问题。本论文的主要研究内容如下:（1）采用商业化的低缺陷、高导电石墨烯作为含硫物种的载体,利用简单高效的球磨工艺将硫单质与高导电石墨烯结合得到多孔复合正极（HCG/S）。高能量的球磨促使大尺寸的硫转变为极小的纳米颗粒负载在石墨烯纳米片上,同时大量的硫原子掺杂到石墨烯晶格中形成C-S化学键。HCG/S复合正极在高硫含量（88.5 wt.%）的条件下,能够提供优异的全正极容量、良好的倍率充放电性能和循环稳定性。在硫负载量为6 mg cm-2时,复合正极在100周循环中具有超过4.4 m Ah cm-2的面比容量。计算模拟和吸附实验表明,硫原子掺杂的石墨烯能够有效吸附多硫化物,从而显著抑制穿梭效应,减少循环过程中活性物质的损失。三维多孔石墨烯网络为锂离子和电子提供了高速传输通道,且正极的多孔结构和石墨烯的优异力学性能有利于在充放电循环中保持正极结构的完整性。该研究工作采用低缺陷石墨烯和硫粉球磨获得复合正极材料,能够有效解决硫和硫化锂不导电、正极结构坍塌和多硫化物穿梭等问题。（2）通过化学气相沉积法在碳纳米纤维上生长高导电的垂直石墨烯阵列,采用简单球磨工艺将垂直石墨烯、碳纳米纤维和硫单质有效复合,同时实现大量硫原子和含硫官能团原位掺杂入石墨烯晶格,得到三维多孔硫掺杂石墨烯/硫复合正极（SG/S）。研究了垂直石墨烯晶体结构和表面性质的改变对其在锂硫电池中作用的影响。吸附实验表明硫掺杂石墨烯对全部的含硫物种具有优异的亲和性;对称电池循环伏安、恒电势阶跃放电等测试结果证实硫掺杂石墨烯能够有效催化含硫物种的氧化还原反应。以SG/S为正极组装锂硫电池,在0.1 C下具有1216 m Ah g-1的高比容量,并且表现出优异的循环稳定性。在硫负载量为8.0 mg cm-2时,SG/S正极在0.2 C放电倍率下具有超过5.2 m Ah cm-2的面比容量;甚至在15 mg cm-2的高硫负载量和5μL mg-1的低电解液/硫用量比（E/S）的条件下,该正极仍能提供超过13.1 m Ah cm-2的可逆面比容量。该工作利用兼具强极性和高导电性的硫掺杂石墨烯作为高效的非金属电催化剂显著促进了多硫化物的转化反应。（3）为了进一步解决锂硫全电池中高浓度多硫化物穿梭严重和转化缓慢的问题,我们利用石墨烯平行密堆层来拦截多硫化物,并将其与纳米二氧化钛催化剂颗粒修饰的碳纳米纤维网络（CNFs/Ti O2）结合,构筑出多功能分层级正极（MFHC）以实现对多硫化物捕获-催化和拦截的协同作用。将还原氧化石墨烯/硫（RGO/S）纳米片有序组装在CNFs/Ti O2两侧获得CNFs/Ti O2@RGO/S电极。原位电化学表征等综合测试结果表明在固-液-固反应中含硫物种从RGO表面迁移至极性CNFs/Ti O2纳米纤维网络,形成具有石墨烯拦截层的分层级正极。兼具对多硫化物的阻隔和电催化作用,使得该正极在高硫面负载量和低E/S的条件下依然具有高硫转化效率。我们进一步提出了兼具硫源层、捕获-催化层和拦截层的多功能分层级正极的设计和构筑方案。以MFHC正极制造的锂硫全电池在低E/S(4μL mg-1)、高硫面负载量(13 mg cm-2)和低负极/正极容量匹配（<4:1）的条件下,能够提供约300 Wh kg-1和450 Wh L-1的质量和体积能量密度。本文对多功能分层级正极的探索和研究为解决锂硫全电池的问题及其实际制造提供了可行的方案。